Desarrollan nanomateriales que estimulan y regeneran nervios seccionados

En la creación de las partículas, los investigadores de la Universidad Rice comenzaron con dos capas de una aleación de vidrio metálico llamada Metglas y encajaron una capa piezoeléctrica de titanato de plomo y zirconio entre ellas. Los materiales piezoeléctricos generan electricidad cuando se les aplican fuerzas mecánicas. Metglas es un material magnetoestrictivo, lo que significa que cambia su forma cuando se le aplica un campo magnético. En este caso, el cambio de forma del Metglas en presencia de pulsos magnéticos causó que el material piezoeléctrico en su interior generara una señal eléctrica. Los materiales que hacen esto se conocen como magnetopiezoeléctricos.

Preguntamos: '¿Podemos crear un material que sea como polvo, o sea, tan pequeño que al colocar una brizna de él dentro del cuerpo pueda estimular el cerebro o el sistema nervioso?'" dijo el autor principal, Joshua Chen, exalumno de doctorado de Rice. "Con esa pregunta en mente, pensamos que los materiales magnetopiezoeléctricos eran candidatos ideales para su uso en la neuroestimulación. Responden a campos magnéticos, que penetran fácilmente en el cuerpo, y los convierten en campos eléctricos, un lenguaje que nuestro sistema nervioso ya utiliza para transmitir información.

Los materiales magnetopiezoeléctricos se han investigado previamente para su uso con los nervios. Por ejemplo, un estudio en 2021 mostró cómo los dispositivos magnetopiezoeléctricos podían transmitir señales de uno a otro de forma inalámbrica, lo que podría reemplazar potencialmente la capacidad de señalización de las neuronas dañadas. Sin embargo, un problema conocido en la aplicación neurológica de los materiales magnetopiezoeléctricos es que las señales que producen tienden a ser demasiado rápidas para que otros nervios humanos las capten.

Para resolver ese problema, los investigadores de Rice introdujeron mejoras nanotecnológicas en el film magnetopiezoeléctrico, agregando óxido de platino hafnio y óxido de zinc. A pesar de este enfoque de materiales en capas, el film final seguía teniendo solo unos 200 nanómetros de grosor. (Para hacer una comparación, un cabello humano mide aproximadamente 90,000 nanómetros de ancho).

Luego probaron el material en ratas y descubrieron que no solo podía estimular los nervios periféricos de los roedores cuando estaban bajo anestesia, sino que también podía restaurar la función en un nervio ciático seccionado. Además, demostró funcionar aproximadamente 120 veces más rápido que materiales similares que se habían desarrollado previamente.

Los investigadores no solo creen que esto promete para neuroprótesis súper pequeñas, potencialmente inyectables, sino que también consideran que podría tener aplicaciones en otros campos.

¨Podemos usar este metamaterial para cerrar la brecha en un nervio dañado y restaurar velocidades rápidas de señales eléctricas¨, dijo Chen. ¨En general, pudimos diseñar de manera racional un nuevo metamaterial que supera muchos desafíos en la neurotecnología. Y, lo que es más importante, este marco para el diseño de materiales avanzados se puede aplicar a otras aplicaciones, como la detección y la memoria en electrónica¨.

La investigación se ha publicado en la revista Nature Materials.